Pobierz prezentację
Pobieranie prezentacji. Proszę czekać
1
Biofizyka makrocząsteczek
Peptydy i białka Biofizyka makrocząsteczek
2
Biologiczne układy koloidalne
3
Układ koloidalny Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.
4
Właściwości W koloidach stopień dyspersji wynosi od 105 do 107 cm-1 – wówczas wielkość cząstek fazy zawieszonej (zdyspergowanej) sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią i fazą dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz. Układ dyspersyjny jest układem koloidalnym, gdy rozmiary cząstek fazy rozproszonej (cząsteczek chemicznych lub ich agregatów) albo rozmiary nieciągłości układu koloidalnego są w zakresie od 1 nm do 1 m przynajmniej w jednym kierunku.
5
Składniki układu koloidalnego
Typowy układ koloidalny (tzw. koloid fazowy) składa się z dwu faz: fazy ciągłej, czyli substancji rozpraszającej, zwanej też ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującym fazy rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej (liofobowej, hydrofobowej).
6
Koloidy cząsteczkowe koloidy cząsteczkowe, gdzie fazą rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery tj. żelatyna, skrobia, białka – nie występuje wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do wewnątrz makrocząsteczki większość koloidów cząsteczkowych powstaje w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne niż właściwości koloidów fazowych.
7
Rodzaje układów koloidalnych
Ośrodek rozpraszający Substancja rozpraszana Rodzaj Przykład Gaz – Ciecz aerozol ciekły mgła Ciało stałe aerozol stały dym piana piana mydlana emulsja lakier do paznokci, mleko, majonez zol, zawiesina koloidalna (suspensja), roztwór koloidalny Ag kol w H2O piana stała pumeks, styropian emulsja stała opal zol stały (pirozol) szkło rubinowe
8
Makrocząsteczki białkowe
9
Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat:
10
Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat:
- struktury makrocząsteczek
11
Fizyczne metody badań dostarczają informacji na temat:
- struktury makrocząsteczek - ich konformacji przestrzennej
12
Pojęcia podstawowe STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny
13
Pojęcia podstawowe STRUKTURA – rozmieszczenie atomów w przestrzeni uporządkowane w sposób periodyczny BAZA STRUKTURY – niezmienny zespół atomów, który periodycznie powtarzając się tworzy strukturę. Może składać się z jednego (w strukturach prostych) lub z wielu (w makrocząsteczkach) atomów
14
Poziomy uporządkowania struktury
Wewnętrzny - bazy struktury
15
Poziomy uporządkowania struktury
Wewnętrzny - bazy struktury Zewnętrzny - pomiędzy bazami
16
Pojęcia podstawowe KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnych
17
Pojęcia podstawowe KONFORMACJA(1) – względny rozkład atomów w przestrzeni wynikający z obrotu lub skręcenia wiązań kowalencyjnych KONFORMACJA(2) – przestrzenna struktura cząsteczki przy praktycznie stałych wartościach: długości wiązań, kątów między wiązaniami
18
Fizyczne metody badania makrocząsteczek
metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna),
19
Fizyczne metody badania makrocząsteczek
metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), metody hydrodynamiczne,
20
Fizyczne metody badania makrocząsteczek
metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), metody hydrodynamiczne, dyfuzja makrocząsteczek w roztworze,
21
Fizyczne metody badania makrocząsteczek
metody rentgenograficzne (analiza rentgenostrukturalna), metody hydrodynamiczne, dyfuzja makrocząsteczek w roztworze, metody optyczne
22
Analiza rentgenostrukturalna
Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ
23
Analiza rentgenostrukturalna
Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowej
24
Analiza rentgenostrukturalna
Wykorzystuje zjawisko rozproszenia (dyfrakcji) promieni X przez kryształ Dyfrakcję promieni X powodują tylko elektrony, stąd rentgenogram pozwala na uzyskanie mapy gęstości elektronowej Wymaga substancji oczyszczonych, jednorodnych, występujących w postaci krystalicznej
25
Analiza rentgenostrukturalna
4 Ryc. Schemat otrzymywania rentgenogramu: 1 – promień pierwotny, 2 – kryształ, 3 – promienie dyfrakcyjne, 4 - błona fotograficzna 1 2 3
26
Analiza rentgenostrukturalna
Możliwa do zastosowania w badaniach struktur biologicznych dzięki zdolności do krystalizacji białek, kwasów nukleinowych i wirusów.
27
Analiza rentgenostrukturalna
Atomy kryształu tworzą układy częściowo odbijających płaszczyzn – tzw. płaszczyzny sieciowe Ponieważ rozkład refleksów promieniowania x zależy od parametrów geometrycznych sieci krystalicznej, analizę rentgenostrukturalną wykorzystuje się do badania struktury kryształów nisko- i wysokocząsteczkowych
28
Analiza rentgenostrukturalna
Ryc. Rentgenogram procesyjny oksyhemoglobiny ludzkiej wykonany w Zakładzie Krystalografii Instytutu Chemii UŁ.
29
Analiza rentgenostrukturalna
Ryc. Fragment mapy gęstości elektronowej mioglobiny. Widoczne jest otoczenie hemu (wg. M.F.Perutz)
30
xj, yj, zj Analiza rentgenostrukturalna
Parametry położenia atomów w strukturze xj, yj, zj
31
Parametry położenia atomów w strukturze
Amplituda j-tego atomu: gdzie: fj – wielkość zależna od rodzaju atomu, a - kąt fazowy zależny od pozycji atomu
32
Parametry położenia atomów w strukturze
Amplituda promieni dyfrakcyjnych: gdzie: - moduł amplitudyFoblicza się z równania I = F2
33
Analiza rentgenostrukturalna
Ryc. Odbicie promieni x od płaszczyzn sieciowych w krysztale
34
Analiza rentgenostrukturalna
Ograniczenia: Długość fal x musi spełniać warunek Wulfa- Bragga: gdzie: λ – długość fali, m – rząd odbicia, θ – kąt pomiędzy kierunkiem padania promieni a płaszczyzną kryształu, d – odległość między sąsiednimi płaszczyznami sieciowymi
35
Analiza rentgenostrukturalna
Ograniczenia: Warunek konieczny do spełnienia przez fale ulegające dyfrakcji na siatkach przestrzennych , tzn.
36
Analiza rentgenostrukturalna
Ograniczenia: Warunek Wulfa-Bragga i długość fali różnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego powodują, że kryształy przepuszczają promienie UV i Vis oraz uginają promienie x, γ oraz elektrony i neutrony.
37
Analiza rentgenostrukturalna
METODA IZOMORFICZNYCH PODSTAWIEŃ: Jednoczesne wykorzystanie danych dyfrakcyjnych otrzymanych z kryształów kilku pochodnych oznaczanego związku
38
Metody hydrodynamiczne
Dostarczają przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworów
39
Metody hydrodynamiczne
Dostarczają przybliżonych danych o wielkości i kształcie makromolekuł w oparciu o właściwości ich roztworów Są mniej dokładne, ale łatwiejsze do wykonania od metod rentgenograficznych
40
Metody hydrodynamiczne
lepkość,
41
Metody hydrodynamiczne
lepkość, dyfuzja makrocząsteczek w roztworze,
42
Metody hydrodynamiczne
lepkość, dyfuzja makrocząsteczek w roztworze, sedymentacja w wirówce.
43
Lepkość – gradient prędkości cząsteczek w cieczy rzeczywistej
Ryc. Zachowanie się makrocząsteczki w cieczy, w której występuje gradient prędkości: a – prędkości warstw cieczy względem nieruchomego układu odniesienia, b – prędkość cieczy względem makrocząsteczki M
44
Lepkość – siły wprawiające w ruch obrotowy makrocząsteczki, którego utrzymanie wymaga dodatkowej energii, pochodzącej ze wzrostu lepkości roztworu Ryc. Pary sił działające na cząsteczki o różnych kształtach w gradiencie prędkości cieczy
45
Lepkość dla cząsteczek kulistych (równanie Einsteina)
gdzie 0 – lepkość rozpuszczalnika, a - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworu
46
Lepkość dla cząsteczek kulistych (równanie Einsteina)
gdzie 0 – lepkość rozpuszczalnika, a - stosunek objętości cząsteczki do objętości całego roztworu dla cząsteczek o innych kształtach lepkość wzrasta co można wykorzystać do określania przybliżonego kształtu makromolekuł
47
Dyfuzja makrocząsteczek w roztworze
Wykorzystuje zależność współczynnika dyfuzji od kształtu i rozmiaru makrocząsteczek gdzie: NA – liczba cząsteczek w jednym molu substancji, η- lepkość i r – promień cząsteczki.
48
Sedymentacja w wirówce
Sedymentacja - osiadanie cząsteczek zawieszonych w ośrodku dyspersyjnym (rozpuszczalniku) w polu grawitacyjnym lub odśrodkowym
49
Sedymentacja w wirówce
Rotor Przeciwwaga Kuweta analityczna Oś obrotu Badany roztwór X Ryc. Schemat rotora wirówki analitycznej
50
Sedymentacja w wirówce
Umożliwia wyznaczenie mas molowych w oparciu o równanie Svenberga gdzie: - gęstość rozpuszczalnika współczynnik sedymentacji: , przyspieszenie jednostkowe: , stosunek objętości cząsteczki do jej masy
51
Metody optyczne Rozpraszanie światłą (efekt Tyndalla)
52
Metody optyczne Rozpraszanie światłą (efekt Tyndalla)
Rozpraszanie promieni Rentgena
53
Metody optyczne Rozpraszanie światłą (efekt Tyndalla)
Rozpraszanie promieni Rentgena Metody spektrofotometryczne
54
Poziomy organizacji cząsteczki białka
Struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasów)
55
Poziomy organizacji cząsteczki białka
Struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasów) Struktura drugorzędowa (układ przestrzenny głównego łańcucha polipeptydowego, np. -helix, struktura )
56
Poziomy organizacji cząsteczki białka
Struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasów) Struktura drugorzędowa (układ przestrzenny głównego łańcucha polipeptydowego, np. -helix, struktura ) Struktura trzeciorzędowa (sposób zwinięcia w przestrzeni łańcucha o określonej strukturze drugorzędowej)
57
Poziomy organizacji cząsteczki białka
Struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasów) Struktura drugorzędowa (układ przestrzenny głównego łańcucha polipeptydowego, np. -helix, struktura ) Struktura trzeciorzędowa (sposób zwinięcia w przestrzeni łańcucha o określonej strukturze drugorzędowej) Struktura czwartorzędowa (układ przestrzenny podjednostek oraz zespół oddziaływań i kontaktó między nimi
58
Poziomy organizacji cząsteczki białka
59
Geometria wiązania peptydowego
a. Sprzężenie wiązań i częściowe pokrywanie się powłok elektronowych a. Wymiary kątów i poszczególnych wiązań w ugrupowaniu peptydowym
60
Geometria wiązania peptydowego
61
Mechanizm sprzęgania wiązań
+
62
Cechy wiązania peptydowego
Podwójny charakter wiązań C’ = N umożliwia swobodną rotację atomów, która wymaga jednak pewnych nakładów energii. Kąt obrotu wokół C’ = N, czyli kąt deformacji oznaczany jest symbolem
63
Cechy wiązania peptydowego
Podwójny charakter wiązań C’ = N umożliwia swobodną rotację atomów, która wymaga jednak pewnych nakładów energii. Kąt obrotu wokół C’ = N, czyli kąt deformacji oznaczany jest symbolem Polarność ugrupowania peptydowego stwarza możliwość występowania konfiguracji cis i trans. Konfiguracja trans jest korzystniejsza energetycznie i bardziej typowa dla otwartych łańcuchów peptydowych
64
Cechy wiązania peptydowego
Podwójny charakter wiązań C’ = N umożliwia swobodną rotację atomów, która wymaga jednak pewnych nakładów energii. Kąt obrotu wokół C’ = N, czyli kąt deformacji oznaczany jest symbolem Polarność ugrupowania peptydowego stwarza możliwość występowania konfiguracji cis i trans. Konfiguracja trans jest korzystniejsza energetycznie i bardziej typowa dla otwartych łańcuchów peptydowych Ugrupowania peptydowe mogą się ze sobą łączyć wiązaniami wodorowymi
65
Konformacja polipeptydów (założenie podstawowe)
Cząsteczki w stanie równowagi termodynamicznej przyjmują konformację najbardziej korzystną energetycznie
66
Konformacja polipeptydów (założenie podstawowe)
Cząsteczki w stanie równowagi termodynamicznej przyjmują konformację najbardziej korzystną energetycznie Konformację prostych związków organicznych można ustalić w oparciu o mechanikę kwantową
67
Konformacja polipeptydów (założenia podstawowe)
Cząsteczki w stanie równowagi termodynamicznej przyjmują konformację najbardziej korzystną energetycznie Konformację prostych związków organicznych można ustalić w oparciu o mechanikę kwantową Celem ustalenia konformacji makrocząsteczek (np. białek), ze względu na ich złożoność, stosuje się metody półempiryczne
68
Energia potencjalna polipeptydu
Vn – suma energii oddziaływań van der Wallsa, Vt – energia oddziaływania torsyjnego (orientacji wiązań), Vel – energia oddziaływań elektrostatycznych, VH – energia tworzenia wiązania wodorowego, VW, Vk – energia deformacji długości i kątów wiązań, Vhydr – energia hydratacji.
69
Warunki trwałości konformacji łańcucha peptydowego
(Pouling, Carey i Branson 1951) Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład łańcucha peptydowego muszą należeć do tego samego szeregu konfiguracyjnego Każda wiązanie peptydowe ma konformację płaską (koplanarną) o parametrach typowych dla związków niskocząsteczkowych
70
Warunki trwałości konformacji łańcucha peptydowego
(Pouling, Carey i Branson 1951) Grupy C’ = O i N – H tworzą wewnętrzne wiązania wodorowe o długości 0,272nm, odchylające się od lini prostej o kąt nie większy od 30º Ustawienie przestrzenne wiązań C’ – C i C – N odpowiada odpowiada minimalnej energii obrotu wokół tych wiązań
71
Konformacje polipeptydów (a) Heliks- (b) Struktura-
72
Konformacje helikalne
HELIX - : 5,1 reszt aminokwasowych na 1 zwój; kąt odchylenia wiązania wodorowego od osi heliksu wynosi 10º
73
Konformacje helikalne
HELIX - : 5,1 reszt aminokwasowych na 1 zwój; kąt odchylenia wiązania wodorowego od osi heliksu wynosi 10º HELIX - : 3,6 reszt aminokwasowych na 1 zwój; kąt odchylenia wiązania wodorowego od osi heliksu wynosi 10º
74
Charakterystyka - heliksu
Średnica heliksu wynosi 1,01 nm
75
Charakterystyka - heliksu
Średnica heliksu wynosi 1,01 nm Odległości między skrętami wynoszą 0,54 nm
76
Charakterystyka - heliksu
Średnica heliksu wynosi 1,01 nm Odległości między skrętami wynoszą 0,54 nm Translacja (tzn. przesunięcie wzdłuż osi o 1 resztę aminokwasową wynosi 0,15 nm
77
Charakterystyka - heliksu
Średnica heliksu wynosi 1,01 nm Odległości między skrętami wynoszą 0,54 nm Translacja (tzn. przesunięcie wzdłuż osi o 1 resztę aminokwasową wynosi 0,15 nm Może być prawo- (dla D-aminokwasów) lub lewoskrętny (dla L-aminokwasów)
78
Prawo- i lewo-skrętny -heliks
79
Rodzaje struktury Struktura Równoległa
80
Rodzaje struktury Struktura Równoległa Antyrównoległa
81
Rodzaje struktury Struktura Równoległa Antyrównoległa -cross
82
Struktura równoległa antyrównoległa
83
Struktura -cross
84
Charakterystyka struktury -
Struktura warstwowa, zbudowana z położonych obok siebie łańcuchów peptydowych
85
Charakterystyka struktury -
Struktura warstwowa, zbudowana z położonych obok siebie łańcuchów peptydowych Wiązania wodorowe powstają między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów
86
Charakterystyka struktury -
Struktura warstwowa, zbudowana z położonych obok siebie łańcuchów peptydowych Wiązania wodorowe powstają między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów W strukturze -cross wiązania wodorowe powstają zarówno między ugrupowaniami peptydowymi sąsiednich łańcuchów jak i w obrębie tego samego łańcucha
87
Struktura kolagenu
88
Charakterystyka struktury kolagenu
Jednostkę struktury stanowią trzy łańcuchy polipeptydowe o konformacji rozciągniętego lewoskrętnego heliksu
89
Charakterystyka struktury kolagenu
Jednostkę struktury stanowią trzy łańcuchy polipeptydowe o konformacji rozciągniętego lewoskrętnego heliksu Parametry pojedynczego heliksu: promień heliksu 0,1 nm; skok 0,251 nm przy 3 resztach aminokwasowych na zwój
90
Charakterystyka struktury kolagenu
Jednostkę struktury stanowią trzy łańcuchy polipeptydowe o konformacji rozciągniętego lewoskrętnego heliksu Parametry pojedynczego heliksu: promień heliksu 0,1 nm; skok 0,251 nm przy 3 resztach aminokwasowych na zwój Wiązania wodorowe występują tylko między łańcuchami polipeptydowymi w liczbie 1 mostek na 3 jednostki peptydowe
91
Charakterystyka struktury kolagenu
Jednostkę struktury stanowią trzy łańcuchy polipeptydowe o konformacji rozciągniętego lewoskrętnego heliksu Parametry pojedynczego heliksu: promień heliksu 0,1 nm; skok 0,251 nm przy 3 resztach aminokwasowych na zwój Wiązania wodorowe występują tylko między łańcuchami polipeptydowymi w liczbie 1 mostek na 3 jednostki peptydowe Małe heliksy skręcają się wokół wspólnej osi tworząc duży prawoskrętny heliks
92
Parametry konformacji helikalnych peptydów
Pierścień Heliks- prawoskrętny Heliks- prawoskrętny Płaska wstęga Heliks- lewoskrętny n – liczba reszt aminokwasowych na 1 zwój h(d) – translacja wzdłuż osi heliksu na 1 resztę aminokwasową p – odległość między sąsiednimi skrętami mierzona wzdłuż osi heliksu
93
Parametry konformacji peptydów – kąty rotacji wokół pojedyńczych wiązań
- kąt rotacji wokół wiązania N - C - kąt rotacji wokół wiązania C - C - kąt rotacji wokół wiązania N – C = 0 - kąt rotacji wokół wiązania N – C przyjmuje wartości 0º lub 180º W łańcuchu rozciągniętym zachodzi równość: = = = 180º
94
Mapa konformacyjna wg. Ramachandrana
95
Mapa konformacyjna wg. Ramachandrana c.d.
Podobne prezentacje
© 2024 SlidePlayer.pl Inc.
All rights reserved.